L'elio è un elemento chimico con il simbolo He e numero atomico 2. È un gas atmosferico raro, incolore, insapore, non tossico, non infiammabile e solo leggermente solubile in acqua. La concentrazione di elio nell'atmosfera è pari a 5,24 x 10⁻⁴ in percentuale volumetrica. Ha i punti di ebollizione e di fusione più bassi di qualsiasi altro elemento ed esiste solo allo stato gassoso, tranne che a temperature estremamente basse.

L'elio viene trasportato principalmente allo stato gassoso o liquido e trova impiego nei reattori nucleari, nei semiconduttori, nei laser, nelle lampadine, nella superconduttività, nella strumentazione, nelle fibre ottiche, nella criogenia, nella risonanza magnetica e nella ricerca di laboratorio.

La sorgente fredda a bassa temperatura

L'elio viene utilizzato come refrigerante criogenico per diverse sorgenti di raffreddamento criogenico, come la risonanza magnetica per immagini (MRI), la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR), gli acceleratori quantistici di particelle superconduttori, il Large Hadron Collider, l'interferometro (SQUID), la risonanza di spin elettronico (ESR) e l'accumulo di energia magnetica superconduttrice (SMES), i generatori superconduttori MHD, i sensori superconduttori, la trasmissione di energia, il trasporto a levitazione magnetica, gli spettrometri di massa, i magneti superconduttori, i separatori a campo magnetico intenso, i magneti superconduttori a campo anulare per reattori a fusione e altre ricerche criogeniche. L'elio raffredda i materiali superconduttori e i magneti criogenici a temperature prossime allo zero assoluto, punto in cui la resistenza del superconduttore si riduce improvvisamente a zero. La bassissima resistenza di un superconduttore crea un campo magnetico più potente. Nel caso delle apparecchiature MRI utilizzate negli ospedali, campi magnetici più intensi producono immagini radiografiche più dettagliate.

L'elio viene utilizzato come super refrigerante perché ha i punti di fusione e di ebollizione più bassi, non solidifica a pressione atmosferica e a 0 K ed è chimicamente inerte, il che rende quasi impossibile la sua reazione con altre sostanze. Inoltre, al di sotto dei 2,2 Kelvin, l'elio diventa superfluido. Finora, questa sua straordinaria ultra-mobilità non è stata sfruttata in alcuna applicazione industriale. A temperature inferiori ai 17 Kelvin, non esiste un sostituto per l'elio come refrigerante nelle sorgenti criogeniche.

Aeronautica e astronautica

L'elio viene utilizzato anche nei palloni aerostatici e nei dirigibili. Essendo più leggero dell'aria, dirigibili e palloni aerostatici vengono riempiti con elio. L'elio ha il vantaggio di non essere infiammabile, sebbene l'idrogeno sia più galleggiante e abbia una minore velocità di fuoriuscita dalla membrana. Un altro utilizzo secondario è nella tecnologia missilistica, dove l'elio viene impiegato come fluido di trasporto per spostare il combustibile e l'ossidante nei serbatoi di stoccaggio e per condensare idrogeno e ossigeno al fine di produrre carburante per razzi. Potrebbe anche essere utilizzato per rimuovere combustibile e ossidante dalle apparecchiature di supporto a terra prima del lancio e per preraffreddare l'idrogeno liquido all'interno del veicolo spaziale. Nel razzo Saturn V utilizzato nel programma Apollo, erano necessari circa 370.000 metri cubi (13 milioni di piedi cubi) di elio per il lancio.

Rilevamento e analisi delle perdite nelle condotte

Un altro utilizzo industriale dell'elio è il rilevamento delle perdite. Il rilevamento delle perdite viene utilizzato per individuare perdite in sistemi contenenti liquidi e gas. Poiché l'elio diffonde attraverso i solidi tre volte più velocemente dell'aria, viene utilizzato come gas tracciante per rilevare perdite in apparecchiature ad alto vuoto (come serbatoi criogenici) e recipienti ad alta pressione. L'oggetto viene posizionato in una camera, che viene poi evacuata e riempita di elio. Anche a tassi di perdita bassi come 10⁻⁹ mbar•L/s (10⁻¹⁰ Pa•m³/s), l'elio che fuoriesce attraverso la perdita può essere rilevato da un dispositivo sensibile (uno spettrometro di massa dell'elio). La procedura di misurazione è solitamente automatizzata e viene chiamata test di integrazione dell'elio. Un altro metodo, più semplice, consiste nel riempire l'oggetto in questione con elio e cercare manualmente le perdite utilizzando un dispositivo portatile.

L'elio viene utilizzato per il rilevamento delle perdite perché è la molecola più piccola e monoatomica, quindi fuoriesce facilmente. Durante il rilevamento delle perdite, l'elio gassoso viene immesso nell'oggetto e, se si verifica una perdita, lo spettrometro di massa dell'elio è in grado di individuarne la posizione. L'elio può essere utilizzato per rilevare perdite in razzi, serbatoi di carburante, scambiatori di calore, condotte del gas, componenti elettronici, tubi catodici per televisori e altri componenti industriali. Il rilevamento delle perdite tramite elio è stato utilizzato per la prima volta durante il Progetto Manhattan per rilevare perdite negli impianti di arricchimento dell'uranio. L'elio utilizzato per il rilevamento delle perdite può essere sostituito con idrogeno, azoto o una miscela di idrogeno e azoto.

Saldatura e lavorazione dei metalli

L'elio viene utilizzato come gas di protezione nella saldatura ad arco e nella saldatura al plasma grazie alla sua maggiore energia potenziale di ionizzazione rispetto ad altri atomi. L'elio presente intorno alla saldatura impedisce l'ossidazione del metallo allo stato fuso. L'elevata energia potenziale di ionizzazione dell'elio consente la saldatura al plasma di metalli dissimili utilizzati nell'edilizia, nella cantieristica navale e nell'industria aerospaziale, come titanio, zirconio, magnesio e leghe di alluminio. Sebbene l'elio nel gas di protezione possa essere sostituito da argon o idrogeno, alcuni materiali (come il titanio-elio) non possono essere sostituiti nella saldatura al plasma, poiché l'elio è l'unico gas sicuro ad alte temperature.

Uno dei settori di sviluppo più attivi è la saldatura dell'acciaio inossidabile. L'elio è un gas inerte, il che significa che non subisce reazioni chimiche se esposto ad altre sostanze. Questa caratteristica è particolarmente importante nei gas di protezione per la saldatura.

L'elio è anche un buon conduttore di calore. Per questo motivo viene comunemente utilizzato nelle saldature, dove è necessario un maggiore apporto di calore per migliorare la bagnabilità del cordone di saldatura. L'elio è utile anche per accelerare il processo.

L'elio viene solitamente miscelato con l'argon in proporzioni variabili nella miscela di gas protettivo per sfruttare appieno le proprietà benefiche di entrambi i gas. L'elio, ad esempio, agisce come gas protettivo contribuendo a ottenere modalità di penetrazione più ampie e superficiali durante la saldatura. Tuttavia, l'elio non svolge la stessa funzione di pulizia dell'argon.

Di conseguenza, i produttori di metalli spesso considerano la miscelazione di argon ed elio come parte integrante del loro processo produttivo. Nella saldatura ad arco con gas di protezione (GMAW), l'elio può costituire dal 25% al ​​75% della miscela gassosa di elio e argon. Regolando la composizione della miscela di gas di protezione, il saldatore può influenzare la distribuzione del calore durante la saldatura, che a sua volta incide sulla forma della sezione trasversale del metallo di saldatura e sulla velocità di saldatura.

Industria dei semiconduttori elettronici

Essendo un gas inerte, l'elio è così stabile da reagire difficilmente con altri elementi. Questa proprietà lo rende adatto all'utilizzo come gas di protezione nella saldatura ad arco (per prevenire la contaminazione da ossigeno presente nell'aria). L'elio trova inoltre altre applicazioni cruciali, come nella produzione di semiconduttori e fibre ottiche. Può anche sostituire l'azoto nelle immersioni profonde per prevenire la formazione di bolle di azoto nel flusso sanguigno, evitando così la malattia da immersione.

Volume globale delle vendite di elio (2016-2027)

Il mercato globale dell'elio ha raggiunto i 1.825,37 milioni di dollari nel 2020 e si prevede che raggiungerà i 2.742,04 milioni di dollari nel 2027, con un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 5,65% (2021-2027). Il settore presenta una grande incertezza per i prossimi anni. I dati previsionali per il periodo 2021-2027 presentati in questo documento si basano sull'andamento storico degli ultimi anni, sulle opinioni degli esperti del settore e sulle valutazioni degli analisti.

L'industria dell'elio è altamente concentrata, basata su risorse naturali, e conta un numero limitato di produttori a livello globale, principalmente negli Stati Uniti, in Russia, in Qatar e in Algeria. A livello mondiale, il settore dei consumatori è concentrato negli Stati Uniti, in Cina, in Europa e in altri paesi. Gli Stati Uniti vantano una lunga storia e una posizione indiscussa nel settore.

Molte aziende possiedono diversi stabilimenti, ma di solito non si trovano in prossimità dei mercati di riferimento. Pertanto, il prodotto presenta elevati costi di trasporto.

Nei primi cinque anni, la produzione è cresciuta molto lentamente. L'elio è una fonte di energia non rinnovabile e nei paesi produttori sono in vigore politiche per garantirne l'utilizzo continuativo. Alcuni prevedono che le riserve di elio si esauriranno in futuro.

Il settore presenta un'elevata percentuale di importazioni ed esportazioni. Quasi tutti i paesi utilizzano l'elio, ma solo pochi ne possiedono riserve.

L'elio ha una vasta gamma di applicazioni e sarà disponibile in un numero sempre maggiore di settori. Data la scarsità delle risorse naturali, è probabile che la domanda di elio aumenti in futuro, rendendo necessarie alternative adeguate. Si prevede che i prezzi dell'elio continueranno a salire dal 2021 al 2026, passando da 13,53 $/m³ (2020) a 19,09 $/m³ (2027).

Il settore è influenzato da fattori economici e politici. Con la ripresa dell'economia globale, sempre più persone si preoccupano di migliorare gli standard ambientali, soprattutto nelle regioni in via di sviluppo con un'elevata densità di popolazione e una rapida crescita economica, e di conseguenza la domanda di elio aumenterà.

Attualmente, tra i principali produttori globali figurano Rasgas, Linde Group, Air Chemical, ExxonMobil, Air Liquide (Dz) e Gazprom (Ru), ecc. Nel 2020, la quota di mercato dei primi 6 produttori supererà il 74%. Si prevede che la concorrenza nel settore si intensificherà nei prossimi anni.

Apparecchiature criogeniche HL

Data la scarsità delle risorse di elio liquido e l'aumento del prezzo, è importante ridurre le perdite e il recupero di elio liquido durante il suo utilizzo e trasporto.

HL Cryogenic Equipment, fondata nel 1992, è un marchio affiliato a HL Cryogenic Equipment Company Cryogenic Equipment Co., Ltd. HL Cryogenic Equipment si dedica alla progettazione e alla produzione di sistemi di tubazioni criogeniche isolate per alto vuoto e relative apparecchiature di supporto per soddisfare le diverse esigenze dei clienti. I tubi isolati sottovuoto e i tubi flessibili sono realizzati con materiali isolanti speciali multistrato e multistrato per alto vuoto e sono sottoposti a una serie di trattamenti tecnici estremamente rigorosi e a un trattamento per alto vuoto. Sono utilizzati per il trasferimento di ossigeno liquido, azoto liquido, argon liquido, idrogeno liquido, elio liquido, gas etilene liquefatto (LEG) e gas naturale liquefatto (LNG).

La serie di prodotti HL Cryogenic Equipment Company, che comprende tubi, tubi flessibili, valvole e separatori di fase con rivestimento sottovuoto, sottoposti a una serie di trattamenti tecnici estremamente rigorosi, è utilizzata per il trasferimento di ossigeno liquido, azoto liquido, argon liquido, idrogeno liquido, elio liquido, LEG e GNL. Questi prodotti trovano impiego in apparecchiature criogeniche (ad esempio serbatoi criogenici, dewar e contenitori termici, ecc.) in settori quali separazione dell'aria, gas, aviazione, elettronica, superconduttori, semiconduttori, assemblaggio automatizzato, alimentare e delle bevande, farmaceutico, ospedaliero, biobanche, gomma, produzione di nuovi materiali, ingegneria chimica, siderurgico e ricerca scientifica.

HL Cryogenic Equipment Company è diventata fornitore qualificato di Linde, Air Liquide, Air Products (AP), Praxair, Messer, BOC, Iwatani e Hangzhou Oxygen Plant Group (Hangyang), ecc.